精密單點定位在線GNSS數據處理精度比較分析①

高 攀,郭 斐,呂翠仙,唐 龍

(武漢大學測繪學院,湖北 武漢430079)

0 引 言

精密單點定位(Precise Point Positioning,簡稱PPP)指的是利用單臺GNSS接收機采集的偽距和載波相位觀測值以及由IGS等組織提供的精密衛星星歷及衛星鐘差產品,綜合對各項誤差進行改正來實現高精度的定位技術[1]。目前,隨著PPP技術和網絡技術的迅速發展,國內外已經有不少科研機構相繼推出了自己的在線網絡定位服務,這些服務大部分都面向全球用戶免費開放。普通用戶只需按其協議,將接收機的原始觀測數據轉換并壓縮成標準的RINEX格式上傳至在線定位服務系統,系統便會在較短(解算完畢)的時間內將定位結果以郵件形式發送給用戶,方便了GPS用戶的內業處理,同時也降低了作業成本[2]。這些在線服務系統的出現將在GPS差分參考站和GPS控制點的建設、偏遠地區GPS基站的建立、超長基線測量、GPS高程測量和GPS控制網解算等領域具有廣闊的應用前景[3]。首先對GNSS在線PPP服務系統進行了簡單介紹,并著重針對當前比較成熟的四款在線PPP服務系統進行了比較,采用若干IGS跟蹤站的實測數據進行PPP解算,比較分析了各系統的數據處理能力及其精度狀況。

1 PPP在線定位服務

PPP在線定位服務系統將網絡技術和精密單點定位技術結合到一起,可以全天候自動為用戶提供高精度的PPP定位服務。用戶只需要登陸相應網站,將觀測數據上傳到指定的服務器,系統便自動下載相應的精密星歷和精密鐘差自動解算,并將最終定位結果以郵件的形式反饋給用戶。其服務流程如圖1所示[4-5]。這種無需基準站同步觀測的在線PPP技術,不但降低了成本,而且使外業操作更加靈活。這一模式使得普通用戶能夠方便快捷的使用精密單點定位服務,有利于PPP技術的推廣。

圖1 在線PPP服務流程

PPP在線定位服務是一種重要的數據處理手段。GPS用戶可以通過使用在線PPP技術能夠獲取任一測點在全球框架下的精確位置、對流層延遲等信息。目前全球主要有四大在線PPP服務系統,分別是加拿大自然資源部的CSRS-PPP、加拿大新伯倫瑞克大學的GAPS、美國噴氣動力實驗室的APPS以及西班牙GMV公司的magicGNSS。下面分別加以簡要介紹:

1)CSRS-PPP是加拿大自然資源部(NRCan-Natural Resources Canada)大地測量部2003年10月開發了一套免費的后處理在線定位服務系統,方便GPS用戶獲取加拿大空間參考系統(CSRS)坐標。

2)GAPS(GPS Analysis and Positioning Software)是由加拿大新伯倫瑞克大學開發的一個在線定位服務系統,盡管該系統主要是為定位服務的,但也可以為廣大用戶在電離層延遲估計偏差、衛星鐘差、多路徑誤差方面提供免費服務。

3)APPS(Automatic Precise Positioning Service)是由美國噴氣動力實驗室(Jet Propulsion Laboratory-JPL)開發的一個在線PPP服務系統,該系統采用JPL提供的一些國際最先進的GPS定位技術,接收GPS觀測文件,對GPS接收機進行高精度動態或靜態定位,APPS支持 RINEX2、RINEX2.11輸入文件,GIPSY TDP文件。該系統提供以下四方面服務:①實時GPS衛星軌道和鐘差產品;②每日及每周的高精度GPS軌道和鐘差產品;③處理GPS觀測數據的GIPSY-OASIS軟件。④免費提供AutoGIPSY(AG)服務,靜態后處理服務。

4)magicGNSS是由西班牙GMV公司維護的一個在線精密單點定位服務系統,能夠實時處理GPS和GLONASS的RINEX格式的數據,目前該系統僅支持雙頻PPP[6]。

2 PPP在線定位精度比較與分析

2.1 數據獲取

隨機選取2011年3月1日(年積日DOY 060)中國、美國、歐洲以及非洲境內四個IGS跟蹤站的觀測數據進行靜態模擬動態解算。四個跟蹤站分別是WUHN、BRUS、NIST和WIND。這四個跟蹤站的觀測數據從IGS網站上獲取,并從SOPAC網站獲取了四個跟蹤站的精確坐標,將其作為后續靜態、動態解算的參考真值。

2.2 處理策略

由于各PPP在線服務系統是由不同的機構所維護,在數據處理中所采用的數據處理策略有所不同,如表1所示。

表1 各PPP在線服務系統動態數據處理策略

2.3 動態結果比較

處理BRUS、WUHN、NIST和WIND四個IGS測站的觀測數據得到了各個測站隨時間變化的三維坐標序列,為了使結果更直觀,將四個在線處理軟件解算得到的坐標與參考真值進行求差,并將其差值轉換至N(北)、E(東)、U(高)方向進行比較。值得注意的是,APPS解算得到的是天線相位中心的位置,并非參考點的坐標,其余三款軟件解算的結果則是基于地面參考點的坐標。因此,若直接進行比較,APPS對應的坐標在U方向有較大的系統偏差。為方便比較,首先將APPS定位的結果統一至地面參考點(扣除其天線高及天線偏心),繪制各在線處理軟件解算偏差(dN、dE、dU)的時序圖,限于篇幅,在此僅列出NIST和WUHN跟蹤站的誤差時序圖,如圖2所示。

圖2中從上至下依次為APPS、CSRS、GAPS和magicGNSS的處理結果。分析圖2可以看出,APPS解算的結果比較稀疏,其解算頻率僅為5 min間隔,而其余三款軟件則是根據用戶所提供的原始觀測文件的采樣率逐歷元解算。從偏差均值來看,采用靜態模擬動態方式,幾乎所有軟件在平面與高程方向均能滿足cm級的定位精度;從標準差角度,不同軟件解算的結果差異較大,其中GAPS解算結果N、E、U方向的標準差達到1～2 dm,CSRS與magicGNSS解算結果相對較好,其標準差優于1 dm?？傮w而言,采用上述四款在線PPP處理軟件均能夠實現1～2 dm的動態定位精度。

類似地,圖3中的時序圖是跟蹤站WUHN分別用APPS、CSRS、GAPS和magicGNSS的處理結果,圖中顯示,采用APPS解算結果偏差相對較小,在平面方向上偏差在1 cm左右,GAPS解算結果相對較差;從標準差角度來看,除了GAPS解算結果在高程方向(U方向)超過1 dm,其他軟件解算結果在N、E、U方向均優于1 dm.

圖3 WUHN跟蹤站用四大在線PPP系統動態解算結果與坐標真值在N、E、U方向的差值

2.4 靜態結果比較

為了進一步分析 APPS、GAPS、CSRS以及magicGNSS四個在線PPP服務的精度,我們隨機選取了BRUS、NIST兩個IGS跟蹤站2009年1-12月的觀測數據進行了靜態解算,隨機選取每一個月的第18天的觀測數據進行靜態解算。同理,將靜態解算結果轉換至N、E、U方向上,得到兩個跟蹤站在N、E、U方向隨時間變化的坐標差dN、dE、dU的時序圖,如圖4～圖9所示。

圖4～圖9顯示,用CSRS處理 BRUS和NIST這兩個跟蹤站的觀測數據時,絕大部分的數據處理結果都相當好,N、E、U三個方向的偏差均在5 cm以內,而少數時段的處理結果較差,其偏差達到了0.5 dm左右。究其原因,這可能是由于軟件本身對數據粗差的抵抗能力較差所致。除CSRS之外,其余三款在線PPP軟件靜態定位的精度在平面方向為2～3 cm,高程方向優于5 cm.至于圖中測站各方向的定位偏差呈系統性偏差和一定的趨勢項,尤其是圖6、圖7最為明顯,這主要是因為解算時間跨度較大(一年),而選擇的參考坐標是基于某一固定的歷元時刻,而測站所處板塊的運動使得其參考坐標并非固定不變。

對圖4～圖9中的定位結果進行均方差統計,得到各在線PPP處理軟件靜態精密單點定位的精度如表2～3所示。

表2 靜態模式下BRUS跟蹤站在N、E、U方向上精度/m

表3 靜態模式下NIST跟蹤站在N、E、U方向上精度/m

從表2和表3可以看出,在靜態模式下四個在線PPP服務系統均具有較強的數據處理能力及較高的定位精度,可以滿足一般工程測量等應用需求。

3 結 論

比較分析了APPS、GAPS、magicGNSS以及CSRS四款在線PPP處理軟件的數據處理能力及精度,結果表明,利用不同軟件處理相同的數據,其處理能力與精度有所差異,這主要是由于不同軟件所采用的定位算法及處理策略不一致。但總體而言,四大在線PPP軟件在靜態、靜態模擬動態的方式下均具有較高的數據處理能力和較高的定位精度,可以滿足一般工程測量等應用需求。此外,定位精度的高低取決于GPS原始觀測數據、IGS軌道、鐘差等產品的質量以及處理軟件所采用的算法優劣。因此,用戶可根據精度需要及實際作業條件選擇合適的在線PPP服務系統,必要時還可進行相互檢核提高定位結果的可靠性。

[1] 李征航,張小紅.衛星導航定位新技術及高精度數據處理方法[M].武漢:武漢大學出版社,2009.

[2] 徐 瑩,聶桂根,呂喬森.GNSS在線數據處理系統的比較與分析[J].測繪通報,2010(12):30-33.

[3] 李 黎,王潛心,李 旋,等.CSRS-PPP在線定位服務系統精度分析[J].城市勘測,2008:70-72.

[4] Yves M,Pierre T,Franois L,et al.Online precise point positioning a new,timely service from natural resources canada[J].GPS WORLD,2008(9):1-10.

[5] Ebner R,Featherstone W E.How well can online GPS PPP post-processing services be used to establish geodetic survey control networks[J].Journal of Applied Geodesy 2,2008:149-157.

[6] The Precise Point Positioning Software Centre.Online PPP services[EB/OL].Natural Resources Canada,[2011-02-15].http://magicgnss.gmv.com/ppp.